Методика прогнозирования значений сезонно-талого слоя в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с учетом их деградации при климатическом потеплении

Введение

Происходящие климатические изменения в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов, связанные с глобальным потеплением климата, оказывают серьезные воздействия на природные, хозяйственные и социальные системы российской криолитозоны. Как показали результаты комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных НИИОСП им. Н. М. Герсеванова [1], температурный режим грунтов повышается, что приводит к увеличению глубины сезонного оттаивания. Наиболее значимым фактором, оказывающим негативное влияние на состояние многолетнемерзлых грунтов, является повышение температуры, происходящее по различным причинам, таким как естественное повышение температуры приземного воздуха, изменение почвенно-растительного и снежного покровов, техногенное влияние.

Значение глубины сезонного оттаивания широко используется при проектировании оснований и фундаментов в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов. Неправильное определение глубины оттаивания может привести к деформированию фундаментов зданий и сооружений. Например, в случае свайного фундамента – к увеличению касательных сил морозного пучения грунтов, в случае плитного фундамента – к неучтенному оттаиванию грунтов под подошвой фундамента, возникновению нормальных сил пучения грунтов.

Это делает актуальной задачу по разработке методики прогнозирования мощности сезонно-талого слоя в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с учетом их деградации при климатическом потеплении.

В рамках НИР выполнено следующее:

– обзор и анализ современной научно-технической, нормативной и методической литературы, в том числе нормативных требований и расчетов, в которых используется значение глубины сезонного оттаивания;

– обзор и анализ архивных данных по замерам температуры грунтов и замерам глубины слоя сезонного оттаивания;

– проведение расчетов по существующей инженерной методике и теплотехнических прогнозных расчетов с учетом сценариев изменения климата, анализ и сопоставление полученных результатов с архивными данными;

– оценка влияния глубины оттаивания на проектирование оснований и фундаментов в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов, в том числе на глубину заложения фундамен­та, несущую способность висячей сваи и на действие сил морозного пучения грунтов;

– разработка методики прогнозирования изменения мощности слоя сезонного оттаивания в зависимости от климатических параметров на основании анализа полученных данных;

– разработка предложений по внесению изменений в существующую нормативную документацию.

Обзор и анализ современной научно-технической, нормативной и методической литературы

Существующая инженерная методика определения глубины сезонного оттаивания, представленная в СП 25.13330.2020 [2], учитывает текущие климатические параметры по СП 131.13330.2020 [3], которые рассчитаны за период 1998–2018 гг.

Наблюдаемая тенденция повышения приземной температуры воздуха начиная с 1960-х годов оказывает влияние на формирование температурного режима и глубины сезонно-талого слоя грунтов в криолитозоне, о чем указывает в своей статье А. В. Павлов [4], при этом низкотемпературные мерзлые грунты претерпевали бóльшие изменения, чем высокотемпературные, что подтверждается в статье С. П. Варламова [5].

В статьях П. П. Гаврильева [6][7] рассматривается влияние потепления климата на грунты в Центральной Якутии и подтверждается, что на естественных ландшафтах вплоть до 2007 года наблюдается незначительное изменение геокриологических условий несмотря на значительное повышение среднегодовых температуры приземного воздуха (на 1,5–2 °C). Однако в зонах сельскохозяйственных ландшафтов наблюдается как повышение температуры грунтов на 1,5–2 °C, так и резкое увеличение глубины сезонного оттаивания на 3–16 см в год, что привело к образованию зон несливающейся мерзлоты. Негативное влияние на температурный режим грунтов антропогенного фактора также описывает А. Х. Сариев [8].

Анализ современных наблюдений, описанных в статьях Н. Д. Самохвалова [9], С. А. Белецан [10], С. П. Варламова [11], Е. А. Бабкиной [12], А. А. Маслакова [13], показывает сохранение тренда повышения температуры грунтов и увеличения глубины сезонного оттаивания со временем из-за меняющихся климатических факторов.

Также в перечисленных источниках отмечается значительное влияние на формирование температурного режима грунтов, характера и мощности снегонакопления, влажности и структуры грунтов, наличия и типа растительности на поверхности.

Наименьшие изменения глубин сезонного оттаивания характерны для болотистой местности за счет застойного водного режима и, как следствие, повышенной льдистости поверхностных грунтов. Наибольшие изменения наблюдаются в сухих песках: до 49 см за период с 1975 по 2022 год [9].

По результатам наблюдений в г. Салехарде отмечено сильное влияние снежного покрова. В период с 2016 по 2018 год глубина сезонного талого слоя практически не менялась, а в 2019–2020 годах произошло резкое увеличение глубины оттаивания на 10–35 см, что обусловлено аномальными осадками высотой, превышающей предыдущий период наблюдений почти в 2 раза [10].

В статье [11] отмечается охлаждающее влияние на грунты вследствие затенения поверхности участка исследования за счет разрастания деревьев и кустарников.

В источнике [13] представлены результаты комплексного исследования параметров сезонно-талого слоя в районе Восточной Чукотки. В рамках работы выполнялись измерения температуры и влажности грунтов, глубины оттаивания и деформаций поверхности на двух площадках в период с 2000 по 2019 год. Скорость увеличения глубины оттаивания составила 0,7–1,8 см в год, при этом отмечено, что величина осадки почвы при оттаивании не компенсировалась за счет морозного пучения грунтов в зимний период и имела накопительный эффект. Средние осадки поверхности составили 2,2 см в год.

В своей работе С. Н. Булдович [14] предлагает методику расчета для оценки риска увеличения слоя оттаивания и возможности начала деградации многолетнемерзлых грунтов за счет техногенного воздействия на геокриологические условия. Описанная методика применима для предварительной оценки изменения состояния многолетнемерзлых грунтов при воздействии различных внешних фактов.

В статье А. Г. Алексеева [15] приведен сравнительный анализ методик расчета глубины сезонного промерзания грунта. Наиболее достоверные результаты расчетов получены по методикам, в которые заложена формула Стефана с учетом снежного покрова.

Обзор отечественных работ по вопросу расчета глубины сезонного оттаивания позволяет сделать следующие выводы:

1. Глубина сезонного оттаивания является важным параметром при проектировании оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах. Данный параметр участвует в прочностных расчетах, влияет на отметку заглубления фундаментов, определяет величину касательных сил морозного пучения грунтов, мощность отсыпки и другие параметры. Таким образом, глубина оттаивания существенно влияет на стоимость и объемы работ по возведению фундаментов и планировке территории. В настоящее время в принятой практике проектирования при расчетах принимается постоянная расчетная величина глубины сезонного оттаивания, хотя в реальности она меняется из-за влияния глобального потепления и может превысить проектные значения. Действующие нормативные требования по проектированию не учитывают данное изменение.
2. При анализе нормативной базы по проектированию на основаниях, сложенных многолетнемерзлыми грунтами, выявлено, что методика расчета, представленная в СП 25.13330.2020 [2], не позволяет учесть существующие тенденции изменения климатических параметров.
3. Многочисленные исследования в различных регионах севера Российской Федерации свидетельствуют о повышении температуры многолетнемерзлых грунтов и увеличении глубины сезонного оттаивания вследствие изменения климатических условий и техногенного фактора.
4. На изменение глубины оттаивания оказывают влияние следующие факторы: температура приземного воздуха, характер распределения и мощность снежного покрова, наличие почвенно-растительного покрова и растительности, обводнение территории, физические и теплофизические характеристики и структура грунта, техногенные факторы.

Обзор и анализ архивных данных

В рамках НИР проанализированы следующие данные:

– подготовленные в лаборатории исследования последствий изменения климата ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» [16], содержащие суточные значения температуры почвы на глубинах до 320 см, полученные на метеорологических станциях Российской Федерации за последние шесть десятилетий (до 2022 года);

– по замерам глубин сезонно-талого слоя на территории Российской Федерации по программе мониторинга циркумполярных активных слоев (CALM) [17][18].

Анализ архивных результатов замеров температуры грунтов в криолитозоне Российской Федерации по 22 метеорологическим станциям показал, что в период с 1963 по 2022 год повсеместно наблюдается повышение температуры грунтов, за исключением метеостанции Вилюйск. Наибольшее потепление наблюдается на острове Диксон и составляет 0,11 °C в год, среднее значение по всем метеостанциям – 0,04 °C в год.

На рис. 1 приведена карта с указанием среднегодовых изменений температуры грунтов на глубине до 3,2 м, вычисленных по линейному тренду за весь период наблюдений.

Для анализа динамики изменения мощности сезонно-талого слоя выбрано 53 наблюдательных полигона, в которых выполнено не менее 5 замеров.

На основании линейного анализа данных получены значения среднегодовых изменений глубины слоя сезонного оттаивания. В большинстве пунктов выявлено увеличение слоя сезонного оттаивания за период наблюдений. Максимальный тренд отмечен в научно-исследовательской стационаре «Еркута» и составляет 5,6 см в год, минимальный – на метеостанции Родинка и составляет минус 1,03 см в год. Средний тренд на территории криолитозоны Российской Федерации составляет 1 см в год.

На рис. 2 приведена карта с указанием среднегодовых изменений глубины сезонного оттаивания, вычисленных по линейному тренду за весь период наблюдений.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что на территории криолитозоны Российской Федерации происходят существенные изменения геокриологических условий, что выражается в повышении температуры грунтов и увеличении глубин сезонного оттаивания.

Методика прогнозирования мощности слоя сезонного оттаивания грунта во времени с учетом изменения климата

В рамках работы проведено 80 расчетов по существующей инженерной методике определения глубины сезонного оттаивания, 160 расчетов в теплотехнической программе при стационарном климатическом режиме и с учетом трех сценариев изменения температуры приземного воздуха, согласно данным Климатического центра Росгидромета [16], для четырех типов грунта: песка, супеси, суглинка и глины.

Проведена оценка влияния глубины оттаивания грунта на проектирование оснований и фундаментов в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов. Рассмотрено влияние глубины оттаивания на следующие аспекты проектирования:

– определение глубины заложения фундамента;

– расчет несущей способности висячей сваи;

– расчет на действие сил морозного пучения грунтов.

В качестве репрезентативных на рис. 3 приведены графики изменения глубины сезонного оттаивания грунта для вахтового поселка Бованенково, полученные по результатам теплотехнического расчета в программном комплексе с учетом различных сценариев изменения климата.

По результатам анализа полученных данных сделан вывод, что при температуре грунтов на глубине нулевых амплитуд ниже минус 4 °C существующая расчетная методика СП 25.13330.2020 [2] показывает бо́льшую глубину оттаивания, чем при расчетах в теплотехнической программе. Однако при температуре грунтов на глубине нулевых амплитуд выше минус 4 °C бо́льшая глубина оттаивания получена при расчетах в теплотехнической программе с учетом сценариев изменения климата.

Опираясь на полученные данные, при температуре грунтов на глубине нулевых амплитуд выше минус 4 °C на стадии проектирования рекомендуется определять глубину оттаивания как по существующей инженерной методике, так и с помощью моделирования в теплотехнической программе с учетом тренда повышения температуры приземного воздуха.

Анализ показал, что наибольшая сходимость результатов расчета с натурными наблюдениями получена при расчетах со сценарием изменения климата SSP1-2.6.

Для расчетов оснований и фундаментов следует использовать наибольшее значение глубины оттаивания из полученных.

Заложение подошвы фундамента следует определять с учетом изменения глубины оттаивания в процессе эксплуатации и с учетом влияния глобального потепления.

По результатам прочностных расчетов фундаментов получено, что при проектировании по существующей инженерной методике к концу эксплуатации устойчивость фундамента не будет обеспечена, что приведет к недопустимым деформациям и разрушению конструкций сооружения. Следовательно, при выполнении проектных расчетов необходимо учитывать глобальное потепление климата и динамику изменения глубины оттаивания во времени.

Выводы и предложения по внесению изменений в существующую нормативную документацию

Анализ литературы и существующей инженерной методики показал, что глубина сезонного оттаивания является важным параметром при проектировании оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах и существенно влияет на стоимость и объемы работ по возведению фундаментов и планировке территории. Методика расчета, представленная в СП 25.13330.2020 [2], не позволяет учесть существующие тенденции изменения климатических параметров.

Согласно архивным данным, на территории криолитозоны Российской Федерации происходят существенные изменения геокриологических условий, что выражается в повышении температуры грунтов и увеличении глубин сезонного оттаивания.

Результаты выполненных расчетов глубины оттаивания грунтов показали, что при температуре грунтов на глубине нулевых амплитуд выше минус 4 °C бо́льшая глубина оттаивания получена при расчетах в теплотехнической программе с учетом сценариев изменения климата. Наибольшая сходимость результатов расчета с натурными наблюдениями получена при расчетах со сценарием изменения климата SSP1-2.6.

Определение глубины заложения подошвы фундамента, прочностные и деформационные расчеты следует определять с учетом изменения глубины оттаивания в процессе эксплуатации и влияния глобального потепления.

Учитывая полученные результаты НИР, предлагается внести следующее изменение в СП 25.13330.2020 [2]:

«Г. 1 При температурах грунтов на глубине нулевых амплитуд выше минус 4 °C на стадии проектирования следует определять глубину сезонного оттаивания как по инженерной методике по формулам (Г. 1) или (Г. 3), так и с помощью моделирования в теплотехнической программе с учетом тренда повышения температур приземного воздуха по сценарию изменения климата SSP1-2.6 в соответствии с трендом будущих изменений климата на территории России с помощью ансамбля глобальных климатических моделей CMIP6, представленных на официальном сайте Климатического центра Росгидромета.

Для проектирования и расчетов оснований и фундаментов следует использовать наибольшее значение глубины сезонного оттаивания из полученных по результатам расчетов по инженерной методике и в теплотехнической программе с учетом динамики изменения глубины сезонного оттаивания по времени.

При температурах грунтов на глубине нулевых амплитуд ниже минус 4 °C допускается определять глубину сезонного оттаивания только по формулам (Г. 1) или (Г. 3)».